电力电子第五版第4讲_5

1、 电力电力MOSFET IGBT单管及模块单管及模块 图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号 a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号 图图2-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 GTO的工作原理的工作原理 GTO的导通工作原理与的导通工作原理与SCR一样，一样， 可以利用双晶体管模型解释；可以利用双晶体管模型解释； GTO的关断工作原理与的关断工作原理与SCR不

2、一样，不一样， 原因在于：原因在于： （1）GTO的的 1+ 2之和稍大于之和稍大于1。 1+ 21.05，处在临界饱和，为门极信，处在临界饱和，为门极信 号去关断阳极电流提供了可能性。号去关断阳极电流提供了可能性。正反馈饱正反馈饱 和深度浅。和深度浅。 （2）SCR的的 1+ 2之和大于之和大于1。 1+ 21.15，正反馈处在深度饱和，关，正反馈处在深度饱和，关 断困难。断困难。 （3） 1+ 2=1是器件临界导通的条件，是器件临界导通的条件， 也就是正反馈产生的条件。也就是正反馈产生的条件。 图图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 O t 0 t iG iA

3、 IA 90%IA 10%IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 抽取饱和导通时抽取饱和导通时 储存的大量载流储存的大量载流 子的时间子的时间 等效晶体管从饱等效晶体管从饱 和区退至放大区，和区退至放大区， 阳极电流逐渐减阳极电流逐渐减 小时间小时间 残存残存 载流载流 子复子复 合所合所 需时需时 间间 图图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 +表示高表示高 掺杂浓掺杂浓 度，度，-表表 示低掺示低掺

4、杂浓度杂浓度 Iiiceobc 图图2-16 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 i i b c 在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接一般采用共发射极接 法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数，它反映，它反映 了基极电流对集电极电流的控制能力。了基极电流对集电极电流的控制能力。 当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo 时，时，ic和和ib的关系为的关系为 单管单管GTR的的 值比处理信息用的小功值比处理信息用的小功 率晶体管小得多，通常为率晶体管小得多，通常为10左右，采用左

5、右，采用 达林顿接法达林顿接法可以有效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。 (2-9) (2-10) 空穴流 电 子 流 c) E b E c i b i c= i b i e=(1+ )i b 截止区 放大区 饱和区 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1ib2ib3 Uce 图图2-17 共发射极接法时共发射极接法时 GTR的输出特性的输出特性 ib Ib1 Ib2 Ics ic 0 0 90%Ib1 10%Ib1 90%Ics 10%Ics t0t1t2t3t4t5t t toff tstf ton trtd 图图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 主

6、要是由发射结主要是由发射结 势垒电容和集电势垒电容和集电 结势垒电容充电结势垒电容充电 产生的。产生的。 是用来除去饱和导是用来除去饱和导 通时储存在基区的通时储存在基区的 载流子的，是关断载流子的，是关断 时间的主要部分。时间的主要部分。 实际使用实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得低得 多。多。 BUBUBUBUBU ceocercescexcbo SOA O Ic IcM PSB PcM UceUceM 图图2-19 GTR的安全工作区的安全工作区 二次击穿二次击穿 功率功率 安全工作区（安全工作区（Safe Operating

7、 Area SOA） 将不同基极电流下二次击穿的临界点将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。连接起来，就构成了二次击穿临界线。 GTR工作时不仅不能超过最高电压工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集电极最大电流，集电极最大电流IcM和最大耗散功和最大耗散功 率率PcM，也不能超过，也不能超过二次击穿临界线二次击穿临界线。 N + G S D P 沟道 b) N + N - S G D PP N + N + N + 沟道 a) G S D N 沟道 图1-19 图图2-20 电力电力MOSFET的结构的结构 和电气图形符号和电气图形符号 a)内部结构断面示意图内部

8、结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 GS D fs d d U I G 图图2-21 电力电力MOSFET的的 转移特性和输出特性转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 (2-11) 是电压控制型器件，其输入阻是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。抗极高，输入电流非常小。 输出特性输出特性 是是MOSFET的的漏极漏极伏安特性。伏安特性。 截止区截止区（对应于（对应于GTR的截止区）、的截止区）、 饱和区饱和区（对应于（对应于GTR的放大区）、的放大区）、非饱非饱 和区和区（对应于（对应于GTR的饱和区）三个区域，的饱和区）三个区域， 饱和是指漏源电压增加时漏极电

9、流不再饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再 增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极 电流相应增加。电流相应增加。 工作在工作在开关开关状态，即在状态，即在截止区截止区和和非饱非饱 和区和区之间来回转换。之间来回转换。 本身结构所致，本身结构所致，漏极漏极和和源极源极之间形成之间形成 了一个与了一个与MOSFET反向并联的反向并联的寄生二极寄生二极 管管。 通态电阻具有通态电阻具有正温度系数正温度系数，对器件并，对器件并 联时的联时的均流均流有利。有利。 图图2-21 电力电力MOSFET 的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性 信号 iD

10、O O O u p t t t u GS u GSP u T td(on)tr td (off) tf R s R GR F R L iD uGS up iD + U E 图图2-22 电力电力MOSFET的开关过程的开关过程 a)测试电路测试电路 b) 开关过程波形开关过程波形 up为矩形脉冲电压为矩形脉冲电压 信号源，信号源，Rs为信号为信号 源内阻，源内阻，RG为栅极为栅极 电阻，电阻，RL为漏极负为漏极负 载电阻，载电阻，RF用于检用于检 测漏极电流。测漏极电流。 (a) (b) 图图2-23 IGBT的结构、的结构、 简化等效电路和电气简化等效电路和电气 图形符号图形符号a) 内部结

11、构内部结构 断面示意图断面示意图 b) 简化等简化等 效电路效电路 c) 电气图形符电气图形符 号号 RN为晶体为晶体 管基区内的管基区内的 调制电阻。调制电阻。 （a） 图图2-24 IGBT的转的转 移特性和输出特性移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压 为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电 流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE 之间的关系。之间的关系。 分为三个区域：分为三个区域：正向正向 阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。 当当UCE0时，时，IGBT为为 反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。 在电力电子电